Flash存儲器概述

閃存是一種非易失性( Non-Volatile )內存，在沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數據，其存儲特性相當于硬盤，這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數字設備的存儲介質的基礎。

NAND 閃存的存儲單元則采用串行結構，存儲單元的讀寫是以頁和塊為單位來進行(一頁包含若干字節，若干頁則組成儲存塊， NAND 的存儲塊大小為 8 到 32KB )，這種結構最大的優點在于容量可以做得很大，超過 512MB 容量的 NAND 產品相當普遍， NAND 閃存的成本較低，有利于大規模普及。

NAND 閃存的缺點在于讀速度較慢，它的 I/O 端口只有 8 個，比 NOR 要少多了。這區區 8 個 I/O 端口只能以信號輪流傳送的方式完成數據的傳送，速度要比 NOR 閃存的并行傳輸模式慢得多。再加上 NAND 閃存的邏輯為電子盤模塊結構，內部不存在專門的存儲控制器，一旦出現數據壞塊將無法修，可靠性較 NOR 閃存要差。

NAND 閃存被廣泛用于移動存儲、數碼相機、 MP3 播放器、掌上電腦等新興數字設備中。由于受到數碼設備強勁發展的帶動， NAND 閃存一直呈現指數級的超高速增長.

NOR和NAND是市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發出NOR flash技術,徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著,1989年,東芝公司發表了NAND flash結構,強調降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經過了十多年之后,仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。

相“flash存儲器”經常可以與相“NOR存儲器”互換使用。許多業內人士也搞不清楚NAND閃存技術相對于NOR技術的優越之處,因為大多數情況下閃存只是用來存儲少量的代碼,這時NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。

NOR的特點是芯片內執行(XIP, eXecute In Place),這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行,不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高,在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益,但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

NAND結構能提供極高的單元密度,可以達到高存儲密度,并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統接口。

Flash存儲器工作原理

發現者

1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈(Leo Esaki，1925～)在改良高頻晶體管2T7的過程中發現，當增加PN結兩端的電壓時電流反而減少，江崎玲於奈將這種反常的負電阻現象解釋為隧道效應。此后，江崎利用這一效應制成了隧道二極管(也稱江崎二極管)。

1960年，美裔挪威籍科學家加埃沃(Ivan Giaever，1929～)通過實驗證明了在超導體隧道結中存在單電子隧道效應。在此之前的1956年出現的“庫珀對”及BCS理論被公認為是對超導現象的完美解釋，單電子隧道效應無疑是對超導理論的一個重要補充。

1962年，年僅22歲的英國劍橋大學實驗物理學研究生約瑟夫森(Brian David Josephson，1940～)預言，當兩個超導體之間設置一個絕緣薄層構成SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)時，電子可以穿過絕緣體從一個超導體到達另一個超導體。約瑟夫森的這一預言不久就為P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實驗觀測所證實——電子對通過兩塊超導金屬間的薄絕緣層(厚度約為10埃)時發生了隧道效應，于是稱之為“約瑟夫森效應”。 宏觀量子隧道效應確立了微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而穿透絕緣層，使器件無法正常工作。因此，宏觀量子隧道效應已成為微電子學、光電子學中的重要理論。

性能比較

flash閃存是非易失存儲器,可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行,所以大多數情況下,在進行寫入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡單的,而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為0。

由于擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的,執行一個寫入/擦除操作的時間為5ms,與此相反,擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的,執行相同的操作最多只需要4ms。

執行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距,統計表明,對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時),更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣,當選擇存儲解決方案時,設計師必須權衡以下的各項因素。

NOR的讀速度比NAND稍快一些。

NAND的寫入速度比NOR快很多。

NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5ms快。

大多數寫入操作需要先進行擦除操作。

NAND的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。

接口差別

NOR flash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其內部的每一個字節。

NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據,各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。

NAND讀和寫操作采用512字節的塊,這一點有點像硬盤管理此類操作,很自然地,基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。

容量和成本

NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半,由于生產過程更為簡單,NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量,也就相應地降低了價格。

NOR flash占據了容量為1～16MB閃存市場的大部分,而NAND flash只是用在8MB～128GB的產品當中,這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中,NAND適合于數據存儲,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。

可靠性

采用flash介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統來說,Flash是非常合適的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

耐用性

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次,而NOR的擦寫次數是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優勢,典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍,每個NAND存儲器塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

位交換

所有flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見,NAND發生的次數要比NOR多),一個比特位會發生反轉或被報告反轉了。

比特位反轉 一位的變化可能不很明顯,但是如果發生在一個關鍵文件上,這個小小的故障可能導致系統停機。如果只是報告有問題,多讀幾次就可能解決了。

當然,如果這個位真的改變了,就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見于NAND閃存,NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候,同時使用EDC/ECC算法。

這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然,如果用本地存儲設備來存儲操作系統、配置文件或其他敏感信息時,必須使用EDC/ECC系統以確保可靠性。

壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力,但發現成品率太低,代價太高,根本不劃算。

NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊,并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中,如果通過可靠的方法不能進行這項處理,將導致高故障率。

易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的閃存,可以像其他存儲器那樣連接,并可以在上面直接運行代碼。

由于需要I/O接口,NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。

在使用NAND器件時,必須先寫入驅動程序,才能繼續執行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當的技巧,因為設計師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

軟件支持

當討論軟件支持的時候,應該區別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件,包括性能優化。

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持,在NAND器件上進行同樣操作時,通常需要驅動程序,也就是內存技術驅動程序(MTD),NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。

使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些,許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件,這其中包括M-System的TrueFFS驅動,該驅動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。

Flash存儲器應用

閃存

閃存的存儲單元為三端器件，與場效應管有相同的名稱：源極、漏極和柵極。柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用來保護浮置柵極中的電荷不會泄漏。采用這種結構，使得存儲單元具有了電荷保持能力，就像是裝進瓶子里的水，當你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以閃存具有記憶能力。

與場效應管一樣，閃存也是一種電壓控制型器件。NAND型閃存的擦和寫均是基于隧道效應，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對浮置柵極進行充電(寫數據)或放電(擦除數據)。而NOR型閃存擦除數據仍是基于隧道效應(電流從浮置柵極到硅基層)，但在寫入數據時則是采用熱電子注入方式(電流從浮置柵極到源極)。

場效應管工作原理場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數載流子和反極性的少數載流子參與導電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數載流子參與導電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件，具有輸入電阻高(108～109Ω)、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點，現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。